基于多源數據空間分析的國家公園管控分區研究
—— 以錢江源國家公園體制試點區為例

崔曉偉,楊明星,孟宇辰,羅偉雄,汪家軍,孫鴻雁

1 國家林業和草原局昆明勘察設計院,昆明 650216 2 國家林業和草原局國家公園規劃研究中心,昆明 650216 3 清華大學地球系統科學系,教育部地球系統模擬重點實驗室,北京 100084 4 清華大學深圳國際研究生院海洋工程研究院,深圳 518055 5 錢江源國家公園管理局,開化 324300

國家公園是我國一種新型的自然保護地類型,2017年中辦、國辦聯合印發《建立國家公園總體方案》提出國家公園具有多功能的目標需求,其首要功能是重要自然生態系統的原真性、完整性保護,同時兼具科研、教育、游憩等綜合功能[1]。為充分發揮國家公園的綜合服務功能,分區管理成為國際上對自然保護地普遍采用的管理方式,美國、加拿大、日本、以及我國臺灣地區依據其國家公園的資源特色和功能定位,對國家公園劃分不同類型的功能區[2- 6]。我國開啟國家公園體制建設以來,國內學者圍繞國家公園功能區劃分的可行性開展了大量的研究和探討,唐芳林等通過梳理我國10個國家公園體制試點的功能分區,借鑒國際經驗提出了中國國家公園功能分區類型和方法[7],王夢君等融合我國國家公園體制試點區和云南省國家公園功能區劃分的經驗,探討了國家公園功能分區的評價指標體系[8]。2019年中辦、國辦聯合印發《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》明確提出國家公園實行管控分區的要求[9],孫鴻雁等通過對國家公園管理需求的梳理分析,提出了國家公園“管控-功能”二級分區模式,為實現國家公園的有效管理提供了思路[10]。

科學合理的管控分區是協調國家公園各種利害關系的重要手段,通過對管控分區將國家公園劃分為既相對獨立、又相互聯系的不同管控區,明確各管控區的建設方向并采取相應的管理措施[11],不僅有利于自然資源的優化配置,同時也為自然資源的保護與開展以及旅游容量控制等規劃奠定基礎,進而實現國家公園的綠色可持續發展[12]。為科學地劃分國家公園管控分區,國內外學者們探討了從生態保護角度、生態系統健康評價、游憩利益角度、資源類型或景觀類型的角度以及動物行為等方面構建功能分區評價指標體系[13- 17],采用了包括景觀適宜性評價、棲息地分布模型、聚類分析等多種方法開展研究[18- 25]。錢江源國家公園功能分區研究已有相關研究,其中虞虎等從土地利用結構、高程與居民點分布(人口密度)、重點保護動植物資源分布進行空間疊加,將錢江源國家公園劃分為四個功能分區[26]；Liu等從生態敏感性評價的角度研究錢江源國家公園功能分區[27]；李杰等利用近低空遙感識別技術對錢江源國家公園功能區進行劃分[28]。然而,為滿足《關于建立以國家公園為主體的自然保護地體系的指導意見》對國家公園的管控分區最新要求,以實現科學、客觀、定量、快速獲取國家公園管控分區的目標,本研究擬從國家公園的基礎環境、重點野生動植物分布、自然資源保護基礎和生態現狀4個方面全面反應國家公園內生態保護價值,通過Python語言在GIS平臺將熵值法、層次分析法和空間疊加分析等構建為統一化標準模型,將國家公園按照管控分區要求劃分為核心保護區和一般控制區,為我國國家公園及其他自然保護地開展管控分區等工作提供標準化模型。

1 研究區概況及數據來源

1.1 研究區概況

圖1 錢江源國家公園空間位置分布圖Fig.1 The spatial distribution of Qianjiangyuan National Park

錢江源國家公園地處浙江省開化縣西北部,東北部與安徽省休寧縣相鄰,西南部與江西省婺源縣接壤(圖1),是浙江省母親河錢塘江的主要發源地和重要的水源涵養地,面積共計252.96 km2,包括古田山國家級自然保護區、錢江源國家森林公園、錢江源省級風景名勝區等各類自然保護地。錢江源國家公園擁有典型的亞熱帶常綠闊葉林群落類型和罕見大面積集中分布的中亞熱帶低海拔原生性常綠闊葉林,是國家I級保護野生動物黑麂和白頸長尾雉的集中分布區,區域內海拔最高為1241 m,最低為111 m,相對高差1130 m。該地區屬于白際山脈,具有典型的江南古陸強烈上升的地貌特征；年降水總量為1963 mm,相對濕度為92.4%,日平均氣溫為16.2°C,年日照總時數為1334.1 h,無霜期約為250 d。錢江源國家公園內河流流經地區森林茂密,地下水源以裂隙水為主,富含多種對人體有益的礦物質,符合國家一級飲用水標準,同時河谷、階地為野生動物和各種鳥類的活動提供適宜的棲息地,具有重要的生態保護價值。

1.2 數據來源

依據國家公園生態保護優先,同時兼具科研、宣教、游憩和社區協調發展的基本功能要求,本研究主要收集基本環境指標、重點野生動植物保護指標、自然資源保護基礎指標和生態現狀指標方面的數據全面反映錢江源國家公園的保護和發展現狀。本研究收集到數據類型共14項,用于提取和計算研究所需的其他數據,為保障數據空間分辨率的一致性,本研究將矢量數據柵格處理過程中,均按照30 m分辨率的精度進行轉化。具體數據說明、用途及來源如表1 所示。

表1 錢江源國家公園數據說明及獲取來源

2 研究方法

2.1 空間分析指標體系構建

本研究為全面反映錢江源國家公園內的生態保護和社區發展的情況,以國家公園內環境資源承載力和國土空間開發適宜性評價為基礎,在堅持生態保護第一的原則下,選取國家公園范圍內的基本環境指標數據(包括高程、植被指數、交通道路影響和基本農田等)、重點野生動植物保護(野生動植物、黑麂生境適宜性和白頸長尾雉生境適宜性等)、自然資源保護基礎(古田山國家級自然保護區、錢江源國家森林公園、錢江源風景名勝區和生態公益林等)以及國家公園生態現狀(生態功能適宜性評價、自然資源承載力、三區三線和土地利用現狀等),詳見表2。

表2 管控分區區劃綜合評價模型指標體系

2.2 空間分析指標賦值

由于各指標數據間存在差異,為便于統一計算和分析,根據各指標的數值類型,參考相關標準規范中指標等級劃分依據,采用專家打分法確定各指標的閾值范圍,并將其指標值域范圍劃定在0—10之間,各指標的賦值結果見表3。為確定各指標值在不同空間位置上的權重,本研究基于像元基礎上計算各指標的權重空間分布數據,基于各指標的權重和指標值通過空間疊加分析計算得出錢江源國家公園生態保護價值的空間分布值。

2.3 數據處理

本研究收集到不同類型的數據,為滿足空間數據分析的要求,將不同數據通過矢量化、幾何校正、坐標系轉換、空間化處理等方法進行標準化處理,形成數據類型統一、坐標系一致、空間分辨率相同的標準數據類型,并將多源空間數據統一存儲到數據庫中,為空間分析做好數據儲備。

2.4 空間疊加分析模型構建

按照國家公園管控分區劃分要求進行科學規劃,運用GIS空間分析技術和層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)[29],綜合多源空間數據特征,建立保護區管控分區綜合評價體系,對保護區的自然資源現狀和人類活動干擾情況進行綜合評價,將錢江源國家公園劃分為2個管控分區。借助GIS空間分析進行管控分區劃分,改變了以定性分區為主的做法,很大程度上減少了人的主觀隨意性,增加了分區的科學性和準確性[30],同時將空間疊加分析以用Python語言構建流程化模型,增強本研究計算方法和成果的可推廣性。

3 結果分析

3.1 錢江源國家公園基礎資源環境結果分析

3.1.1基本環境指標分析

基本環境指標包括高程、植被指數、交通道路影響和基本農田等環境背景數據(圖2)。高程數據結果表明,海拔較高的區域主要是錢江源國家森林公園的蓮花塘周邊以及古田山國家級自然保護區的核心保護區等范圍,同時試點區的最北邊以及中部最東側和最西側也有較高的山地分布,其他區內則地勢比較平緩；植被指數空間分布表明,試點區內植被總體分布廣泛,森林覆蓋率高,而海拔較高的山區植被質量相對好于海拔較低的區域；交通道路影響結果表明,試點區的北部區域內受道路交通影響顯著高于其他地區,由于該區域內有高速公路及國道橫穿,而其他地區則主要是縣道、鄉道為主,其干擾影響則較小；永久性基本農田空間分布情況表明,試點區中部區域是主要分布區域,而北部區域內僅在齊溪村以及蓮花溪沿岸村莊周邊零散分布,南部區域則主要分布于公路沿線村莊周邊,同時也是居民點主要分布區域。

表3 管控分區區劃模型指標分級賦值

圖2 基本環境指標空間化分布圖Fig.2 Spatial distribution of basic environmental indicatorsDEM： 數字高程模型Digital elevation model；NDVI： 植被歸一化指數Normalized difference vegetation index

3.1.2重點野生動植物保護指標分析

錢江源國家公園內野生動植物資源豐富,其中珍稀瀕危植物有32種(如野含笑、常綠闊葉林等),國家重點保護動物34種(如黑麂、白頸長尾雉等),主要分布在古田山自然保護區的核心區、錢江源風景名勝區的中西部。黑麂和白頸長尾雉均屬國家一級保護動物,具有重要的保護價值。黑麂是亞熱帶森林生態系統的指示性物種,傾向于生活在森林較為原始和道路密度較低的區域,依據黑麂生境適宜性來進行管控分區的劃分才能有效促進黑麂的合理保護。據余建平等[21]的研究表明,錢江源國家公園范圍內的黑麂適宜性棲息地主要存在三大不連續的空間分布區,即古田山保護區的核心保護區和緩沖區、長虹與何田兩個鄉鎮的周邊山區、齊溪鎮的南部和西南部山區。除此之外,與古田山自然保護區相連的外圍地區、錢江源國家森林公園的特級和一級保護區等部分區域也有分布；白頸長尾雉的適宜生境則主要分布在古田山保護區的西部和南部,以及齊溪鎮的東部和中部,何田鄉西部和長虹鄉東部也有部分分布。較適宜生境區域則包括了古田山保護區、長虹鄉、何田鄉、齊溪鎮的大部分地區以及錢江源風景名勝區內(圖3)。

3.1.3自然資源保護基礎指標分析

錢江源國家公園范圍內包括3個原自然保護地,其中原古田山國家級自然保護區內集中分布有原始狀態的大片低海拔中亞熱帶常綠闊葉林,黑麂廣泛分布,其特有植物種類金錢松、中華小燭蘚以及開化鱗毛蕨和古田山鱗毛蕨特有植物種類也分布其中,生態系統完整性高,天然動植物資源豐富,是重點管護區域；原錢江源國家森林公園、錢江源風景名勝區主要位于齊溪鎮,園內森林質量較高,環境優美,資源價值和旅游價值也較高,生態環境適宜,且分布有重要的野生動植物,具有較高的科學、文化價值。錢江源國家公園內廣泛分布國家級、省級等公益林,公益林嚴格禁止以生產木材為主要目的的采伐、撫育和改造活動,多具備較好的林木資源,公益林的生態健康程度較高,具有一般森林不具備的保護優勢,只有在龍坑村、田畈村、大源頭村、四聯村附近小區域沒有分布,以及齊溪鎮北部局部有所缺失(圖4)。

圖3 重點野生動植物保護指標空間分布圖Fig.3 Spatial distribution of key wildlife conservation indicators

圖4 自然資源保護基礎指標空間分布圖Fig.4 Spatial distribution of basic indicators for natural resource protection

3.1.4生態功能現狀指標分析

生態功能適宜性評價,通過認識研究區域的自然資源與環境特點,分析區域發展所涉及的生態敏感性和穩定性,以此來區分保護價值高低情況地區,便于有針對性的開展保護區劃工作。評價結果表明(圖5),錢江源國家公園范圍內生態功能較高,只有在建制城鎮的中心商業區域存在生態負面效益,以及國家公園南部蘇莊鎮的所涉及的居民點沿線,原國家公園范圍內的傳統利用區內,還有齊溪鎮區域。自然資源承載力,是指一個國家或地區資源的數量和質量,對本區域人口的基本生存和發展的支撐力,是可持續發展的重要體現。區內的自然資源承載力呈現出高中低三種類型,且中部區域多承載力多表現為為中,主要分布在古田山東部的長虹鄉區域,其余大部分區域自然資源承載力表現為較弱,自然資源承載力高的區域很少。三區三線和土地利用規劃,三區三線是構建空間規劃體系的重要內容,對生態系統保護有著重要意義。從空間分布來看,錢江源國家公園內生態空間分布面積最大,城鎮空間分布面積很小,只有在蓮花塘道路入口處有很小的分布,農業空間分布則多集中在居民點、道路周圍。土地利用規劃是對土地使用的統籌和長遠規劃,以便合理的來調控和使用土地。國家公園內土地類型以林地為主,在道路、居民點周邊也分布有部分園地,還有齊溪水庫等水庫存在,城鎮用地很少。

圖5 生態功能現狀指標空間分布圖Fig.5 Spatial distribution of ecological function indicators

3.2 錢江源國家公園空間疊加結果分析

空間疊加分析結果表明(圖6),生態保護價值較高的區域從北至南主要集中在齊溪鎮江源村東西兩側的山區、蓮花溪沿岸的南北兩側的森林、何田鄉和長虹鄉西北部山區、古田山國家級自然保護區的核心區和緩沖區等區域。

齊溪鎮江源村東西兩側的植被生長狀況良好,社區分布較少,其生產生活用地較少,且是白頸長尾雉的生長適宜區之一,大部分區域都納入了開化縣生態保護紅線的范圍,生態適宜性較高,是試點區內生態保護價值較高的區域；而生態保護價值較低區域,以社區居民點、耕地、園地等生產生活空間為主,屬于開化縣的農業和城鎮發展空間,人為活動頻繁。

蓮花溪沿岸南北兩側區域,基本都是闊葉林分布,植被質量高,原屬錢江源國家森林公園和錢江源風景名勝區的范圍內,同時也是開化縣生態紅線范圍內,保護基礎良好,生態適宜性高、自然資源承載力強,生態保護價值高；而蓮花溪沿岸的社區居民點及其生產生活用地(包括耕地、園地等)的生態保護價值較低,但其具備生態體驗、科普宣教的條件,可作為國家公園發揮游憩體驗、科普宣教等功能的區域。

何田鄉和長虹鄉西北部山區與蓮花塘景區的森林空間上是一個完整的生態系統,該區域內闊葉林廣泛分布,植被質量高,盡管該區域之前未被納入任何自然保護地范圍,但在開化縣生態保護紅線范圍內,其自然資源承載力和生態適宜性均較高,且公益林分布為主,具備較高的生態保護價值；何田鄉和長虹鄉的東部區域則主要分布社區居民點、耕地、園地、水域及水利設施用地等為主,尤其是耕地和園地占主體部分,是開化縣重要的農業發展空間,其生態保護價值相對較低。

圖6 多源數據空間疊加分區結果圖Fig.6 The results of multi-source data spatial analysis

古田山國家級自然保護區的核心區和緩沖區內分布有重要的野生動植物,是闊葉林分布的集中區域,植被質量非常高,是開化縣重要的生態保護空間,受人為活動干擾影響較少,具有極高的生態保護價值；而其周邊區域,從橫中村沿轉大線到油古線至唐頭村和洪源村范圍內,社區居民點、耕地、園地等農業發展和城鎮發展空間將區域內森林植被分割較為破碎,植被呈塊狀分布,生態系統完整性較差,生態保護價值相對較低。

3.3 錢江源國家公園管控分區結果分析

3.3.1定性分析

通過管控分區空間疊加結果定量分析綜合評分,根據國家公園規劃相關的區劃原則,結合錢江源實際情況,如區域內道路分布、山脈溝谷走向、水源分布等自然地形、地物及行政界限,以及重點野生動植物、居民點的分布特點。同時考慮研究區域空間上生態系統服務功能的差異,根據實現保護目標的管理需求和滿足社區生計發展的利用需求。在土地權屬、發展需求等其他限制條件上實現不同組合的生態系統服務功能的空間規劃,限制特定土地利用形式,科學進行資源配置,合理進行管控控分區的劃定和相關法規條例的制定落實,方便各項方案實施及保護活動的開展,最終完成了錢江源國家公園的管控分區的劃分。

將錢江源國家公園范圍內生態保護價值高的區域劃分出來,但其結果仍需滿足國家公園的實際管理需求以及符合開化縣政府及地方政府和社區的發展規劃要求,以空間疊加分析為基礎,參考現地調研收集的情況,通過定性定量分析后,對邊界范圍及管控分區進行完善和調整,最終獲取錢江源國家公園的邊界范圍及管控分區結果。

3.3.2管控分區特征

核心保護區包括原范圍內的核心保護區和生態保育區的大部分區域,核心保護區內涵蓋了大部分的動植物資源,進行最嚴格的保護。核心保護區內動植物資源豐富,具有重要的保護價值,是國家公園的保護的重點區域。核心保護區涵蓋了古田山自然保護區的大部分區域、國家森林公園的大部分區域,以及古田山沿白際山脈至風景名勝區的連通的生態廊道,以及齊溪水庫周邊生態環境質量高的區域。核心區面積151.33 km2,占整個國家公園面積的59.82%。

一般控制區主要包括原范圍內的游憩展示區和傳統利用區的大部分區域,在一般控制區內可進行適當的人為活動,引導社區居民保護生態環境,開展科普教育工作。一般控制區包括適宜開展游憩展示、科普教育等的區域,包括長虹鄉村莊密集的人為活動較多區域、齊溪鎮至齊溪水庫周邊、蓮花塘景區周邊,及國家公園最南端蘇莊鎮的道路密集區、何田鄉東部村莊分布區等。一般控制區面積101.63 km2,占整個國家公園面積的40.18%。在國家公園的一般控制區,采取適當地限制人類活動,禁止大規模的毀壞性開發利用,引導社區居民參與到生態環境保護中來,共同維護國家公園內的生態環境。

3.4 空間疊加分析結果精度評價

3.4.1精度分析結果

錢江源國家公園管控分區空間分析結果與最終管控分區結果一致的面積共計197.70 km2(圖7),其中核心保護區面積127.99 km2,一般控制區面積69.71 km2；空間分析結果的總體精度為78.07%,其中核心保護區精度為83.55%,一般控制區精度為69.67%(表4)。

表4 空間疊加與管控分區結果對比表/km2

圖7 空間疊加結果精度分析圖Fig.7 Accuracy analysis of spatial overlay results

3.4.2差異因素分析

精度分析結果顯示,存在差異較大區域主要集中在錢江源國家公園北部新調入區域、中東部何田鄉和長虹鄉以及西北角區域。首先,錢江源北部新調入區域范圍空間疊加分析結果顯示為一般控制區,主要由于其不屬于原自然保護地范圍,保護基礎相對較弱,但其范圍內90%以上為森林,同時也是主要保護對象黑麂的潛在適宜分布區,因此,通過定性分析將其納入核心保護區范圍；其次,在中東部長虹鄉和何田鄉范圍內,分布有零散的核心保護區,且個片區并未連通成片,周邊范圍被基本農田、村莊和商品林等隔斷,盡管具有保護價值,但不利于實際管理和未來勘界立標工作的開展,因此,將其調整為一般控制區；最后,西南角區域的空間疊加分析結果顯示此區域為核心保護區,但動植物生境斑塊比較破碎,經現地查驗發現,此區域內種植有大面積的油茶林和耕地,人為活動比較頻繁,納入核心保護區不符合當地社區發展需求,因此,將其調整為一般控制區。

綜上所述,通過多源數據空間分析,不僅可以快速獲取錢江源國家公園生態保護價值較高的區域,其結果精度也較高,因此,說明空間分析結果具有一定的科學性和實用性。

4 結論與討論

4.1 客觀性和科學性分析

本研究基于錢江源國家公園的生態環境指標、自然保護地保護現狀指標、重點野生動植物保護指標以及生態保護現狀指標等,通過對多源數據空間分析,客觀地反應了錢江源國家公園內生態保護價值分布的情況,有效降低了調整過程中的人為干擾影響；同時,規范設置各類指標的標準值,采用層次分析法和熵值法確定指標空間化統計方案,使其結果更具科學性。因此,該方法在國家公園及其他各類自然保護地邊界范圍調整和管控分區劃定中,既展示出客觀性,也具備科學性。本研究方法與我國近年來在土地利用功能分區、自然保護區功能區劃以及國家公園的功能區劃等[20,22,30]采用方法具有傳承創新性,以突出功能區劃的客觀性為主,同時其區劃結果具有一定的科學性。

4.2 可行性和實用性分析

通過對比多源空間數據分析結果與最終管控分區結果精度分析結果表明,空間疊加分析結果的核心保護區與實際結果的對比精度達80%左右,一般控制的精度分析結果也在75%左右,說明該方法在實際應用中具有較高的可行性；同時,本研究中融合層次分析法和空間疊加分析等方法,基于Python語言平臺構建一整套管控分區的自動劃分流程,即空間疊加分析用Python語言轉為流程化工具,其結果僅需人為進行較小區域范圍的優化調整,不僅有利于提高工作效率,其流程化工具使該方法具有良好的推廣性和實用性。本研究采用方法在流程化、標準化方面具有一定的優勢,其實用性更廣泛,但是本研究所采用的方法相對從生態分級保護規劃、土地利用管理、歷史文化等方面劃分功能區分區[12- 13,19]相比在定性分析方面尚存不足,這也是導致一般控制區劃分精度較低的關鍵因素。因此,未來在指標設置方面仍需進一步研究定性指標的定量化分析,以提高空間疊加分析結果的精度。

4.3 不確定性分析

本研究選取的空間分析指標體系主要基于錢江源國家公園現有基礎數據庫開展工作,然而錢江源國家公園屬于較小尺度的研究范圍,通過空間疊加分析能夠準確、科學、精確地劃定邊界范圍及管控分區,但在更大尺度保護地的應用仍有待進一步研究；同時,層析分析的計算過程具有客觀性,然而其在設置指標層級、類型以及數量上存在很大的人為干擾因素,本研究中現有指標還不夠完善和全面,在選擇指標過程中明顯受到人為因素影響,例如可收集到指標數量、指標的正負向影響的選取等。因此,在今后的研究中盡可能多的選取具有代表性的指標因子,建立更為科學的評判模型,提高管控分區劃分的科學性和客觀性,盡量將空間信息融入到指標體系中,減少人為的干擾影響,使管控分區的結果更為客觀和精準,進一步提升管控分區劃方法的普適性。